خلايا وقود بيروكسيد الهيدروجين الخالية من الأغشية كمصدر واعد للطاقة النظيفة
Summary
يقدم هذا البروتوكول تصميم وتقييم الأقطاب الكهربائية المبتكرة ثلاثية الأبعاد لخلايا وقود بيروكسيد الهيدروجين ، باستخدام قماش ألياف الكربون المطلي بالكهرباء وأقطاب Ni-foam. تسلط نتائج البحث الضوء على إمكانات بيروكسيد الهيدروجين كمرشح واعد لتقنيات الطاقة المستدامة.
Abstract
في تحقيق متعمق لخلايا الوقود القائمة على بيروكسيد الهيدروجين بدون غشاء (H 2 O 2 FCs) ، ثبت أن بيروكسيد الهيدروجين (H 2 O 2) ، وهو مركب محايد للكربون ، يخضع للتحلل الكهروكيميائي لإنتاج H 2O ، O2 ، والطاقة الكهربائية. خصائص الأكسدة والاختزال الفريدة ل H 2O2 تضعها كمرشح قابل للتطبيق لتطبيقات الطاقة المستدامة. يعالج التصميم المقترح بدون غشاء قيود خلايا الوقود التقليدية ، بما في ذلك تعقيدات التصنيع وتحديات التصميم. يتم تقديم قطب كهربائي ثلاثي الأبعاد جديد ، يتم تصنيعه عبر تقنيات الطلاء الكهربائي. مصنوع من قماش ألياف الكربون المطلي بالكهرباء Au جنبا إلى جنب مع رغوة النيكل ، يعرض هذا القطب حركية التفاعل الكهروكيميائي المحسنة ، مما يؤدي إلى زيادة كثافة الطاقة ل H 2O2 FCs. يرتبط أداء خلايا الوقود بشكل معقد بمستويات الأس الهيدروجيني لمحلول الإلكتروليت. بالإضافة إلى تطبيقات FC ، تحمل هذه الأقطاب الكهربائية إمكانات في أنظمة الطاقة المحمولة وكمحفزات ذات مساحة سطح عالية. تؤكد هذه الدراسة على أهمية هندسة الأقطاب الكهربائية في تحسين إمكانات H 2 O2كمصدر طاقة صديق للبيئة.
Introduction
خلية الوقود هي جهاز كهروكيميائي يستخدم الوقود والمؤكسد لتحويل المواد الكيميائية إلى طاقة كهربائية. تتمتع FCs بكفاءة تحويل طاقة أعلى من محركات الاحتراق التقليدية لأنها غير ملزمة بدورة Carnot1. من خلال استخدام أنواع الوقود مثل الهيدروجين (H 2) 2 ، بوروهيدريد الهيدروجين (NaBH 4) 3 ، والأمونيا (NH 3)4 ، أصبحت FCs مصدرا واعدا للطاقة نظيفا بيئيا ويمكن أن يحقق أداء عاليا ، مما يوفر إمكانات كبيرة لتقليل اعتماد الإنسان على الوقود الأحفوري. ومع ذلك ، تواجه تقنية FC تحديات محددة. إحدى المشكلات السائدة هي الدور الداخلي لغشاء تبادل البروتون (PEM) في نظام FC ، والذي يعمل كضمان ضد الدوائر القصيرة الداخلية. يساهم تكامل الغشاء الإلكتروليتي في زيادة تكاليف التصنيع ومقاومة الدوائر الداخلية والتعقيد المعماري5. علاوة على ذلك ، فإن تحويل FCs أحادية الحجرة إلى صفائف متعددة المكدسات يؤدي إلى تعقيدات إضافية بسبب العملية المعقدة لدمج قنوات التدفق والأقطاب الكهربائية والألواح لتعزيز الطاقة ومخرجات التيار5.
على مدى العقود الماضية ، بذلت جهود متضافرة لمواجهة هذه التحديات المتعلقة بالأغشية وتبسيط نظام FC. والجدير بالذكر أن ظهور تكوينات FC الخالية من الأغشية باستخدام التدفقات المشتركة الصفحية بأرقام رينولد المنخفضة قد قدم حلا مبتكرا. في مثل هذه الإعدادات ، تعمل الواجهة بين تدفقين كغشاء “افتراضي” موصل للبروتون6. تمت دراسة FCs القائمة على التدفق الصفحي (LFFCs) على نطاق واسع ، والاستفادة من فوائد الموائع الدقيقة7،8،9،10. ومع ذلك ، تتطلب LFFCs ظروفا صارمة ، بما في ذلك مدخلات الطاقة العالية لضخ الوقود الصفحي / المؤكسدات ، والتخفيف من تقاطع المواد المتفاعلة في التيارات السائلة ، وتحسين المعلمات الهيدروديناميكية.
في الآونة الأخيرة ، اكتسب H 2 O 2 اهتماما كوقود محتمل ومؤكسد بسبب طبيعته المحايدة للكربون ، مما ينتج عنه الماء (H 2 O) والأكسجين (O2) أثناء عمليات الأكسدة الكهربائية والاختزال الكهربائي في الأقطاب الكهربائية11,12. يمكن إنتاجH 2 O2 بكميات كبيرة باستخدام عملية اختزال إلكترونين أو عن طريق عملية أكسدة ثنائية الإلكترون من الماء12. بعد ذلك ، على عكس أنواع الوقود الغازية الأخرى ، يمكن دمج وقود H 2O2 السائل في البنية التحتية الحالية للبنزين 5. إلى جانب ذلك ، فإن تفاعل عدم التناسب H 2 O 2 يجعل من الممكن تقديم H 2 O2كوقود ومؤكسد. يوضح الشكل 1A بنية تخطيطية لبنية H 2 O2FC السهلة. بالمقارنة مع FCsالتقليدية 2،3،4 ، يستخدم H 2 O2FC مزايا “بساطة” الجهاز. أظهر ياماساكي وآخرون H 2 O2FCs بدون غشاء ، حيث لعبوا دور كل من الوقود والأكسدة. ألهمت الآلية الموصوفة لتوليد الطاقة الكهربائية مجتمعات البحث لمواصلة هذا الاتجاه البحثي6. بعد ذلك ، تم تمثيل آليات الأكسدة الكهربائية والاختزال الكهربائي باستخدامH 2 O2 كوقود ومؤكسد من خلال التفاعلات التالية13,14
في الوسائط الحمضية:
الأنود: H 2 O2 → O2 + 2H + + 2e– ؛ Ea1 = 0.68 فولت مقابلثانية.
الكاثود: H 2 O 2 + 2H + + 2e– → 2H2 O ؛ Ea2 = 1.77 فولت مقابل. هي
المجموع: 2 ساعات 2 O2 → 2H2O +O 2
في وسائل الإعلام الأساسية:
H2O 2 + OH– → HO 2– + H 2O
الأنود: HO 2– + OH– → O 2 + H2 O +2e– ؛ Eb1 = 0.15 فولت مقابل. هي
الكاثود: HO 2- + H2O + 2e– → 3OH- ؛ Eb2 = 0.87 فولت مقابل. هي
المجموع: 2 ساعة 2 س 2 → 2 ساعة2س +س 2
يوضح الشكل 1B مبدأ عمل H 2 O 2 FCs. H 2 O2 يمنح الإلكترونات عند الأنود ويستقبل الإلكترونات عند المهبط. يحدث نقل الإلكترون بين الأنود والكاثود من خلال دائرة خارجية ، مما يؤدي إلى توليد الكهرباء. جهد الدائرة المفتوحة النظري (OCP) ل H 2O2 FC هو 1.09 فولت في الوسائط الحمضية و 0.62 فولت في الوسائط الأساسية13. ومع ذلك ، فقد أظهرت العديد من النتائج التجريبية قيما أقل ، تصل إلى 0.75 فولت في الوسائط الحمضية و 0.35 فولت في الوسائط الأساسية ، مقارنة ب OCP النظري. يمكن أن تعزى هذه الملاحظة إلى وجود إمكانات مختلطة13. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن أن تتنافس الطاقة والإخراج الحالي ل H2O 2 FCs مع FCs2،3،4المذكورة بسبب الانتقائية التحفيزية المحدودة للأقطاب الكهربائية. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن تقنية H 2O 2 FC الحالية يمكن أن تتفوق على H2 و NaBH 4 و NH3 FCs من حيث التكلفة الإجمالية ، كما هو موضح في الجدول 1. وبالتالي ، فإن الانتقائية التحفيزية المحسنة للأقطاب الكهربائية للأكسدة الكهربائيةH 2 O2 والاختزال الكهربائي لا تزال تمثل تحديا كبيرا لهذه الأجهزة.
في هذه الدراسة ، نقدم قطب كهربائي ثلاثي الأبعاد للهيكل المسامي لتحسين التفاعل بين القطب ووقود H2O2 ، بهدف زيادة معدل التفاعل وتعزيز الطاقة وإخراج التيار. نحقق أيضا في تأثير درجة الحموضة في المحلول وتركيزH 2 O2 على أداء FC. يتكون زوج الأقطاب الكهربائية المستخدم في هذه الدراسة من قماش من ألياف الكربون مطلية بالذهب ورغوة النيكل. يتم إجراء التوصيف الهيكلي باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ، مع إمكانات الدائرة المفتوحة (OCP) والاستقطاب ومنحنيات خرج الطاقة التي تعمل كمعلمات أساسية لاختبار FC.
Protocol
Representative Results
Discussion
تؤثر العديد من المعلمات بشكل كبير على أداء خلية وقود بيروكسيد الهيدروجين الخالية من الأغشية بما يتجاوز درجة الحموضة وتركيز H 2 O2. يحدد اختيار مادة القطب نشاط التحفيز الكهربائي والاستقرار ، في حين أن مساحة سطح القطب يمكن أن تعزز مواقع التفاعل. تؤثر درجة حرارة التشغيل على حركية ا?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل البرنامج الوطني للبحث والتطوير في مجال التقنيات الرئيسية في الصين (2021YFA0715302 و 2021YFE0191800) ، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (61975035 و 52150610489) ، ولجنة العلوم والتكنولوجيا في بلدية شنغهاي (22ZR1405000).
Materials
| Acetone | Merck & Co. Inc. (MRK) | 67-64-1 | solution for pre-process of materials |
| Alcohol | Merck & Co. Inc. (MRK) | 64-17-5 | solution for pre-process of materials |
| Carbon fiber cloth | Soochow Willtek photoelectric materials co.,Ltd. | W0S1011 | substrate material for electroplating method |
| Electrochemistry station | Shanghai Chenhua Instrument Co., Ltd. | CHI600E | device for electroplating method and fuel cell performance characterization |
| Gold chloride trihydrate | Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd. | G141105-1g | main solute for electroplating method |
| Hydrochloric acid | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10011018 | adjustment of solution pH |
| Hydrogen peroxide | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10011208 | fuel of cell |
| Nickel foam | Willtek photoelectric materials co.ltd(Soochow,China) | KSH-2011 | anode material for hydrogen peroxide fuel cell |
| Potassium chloride | Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd. | 10016308 | additives for electroplating method |
| Scanning electron microscope | Carl Zeiss AG | EVO 10 | structural characterization for sample |
| Sodium hydroxide | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10019718 | adjustment of solution pH |
| X-Ray differaction machine | Bruker Corporation | D8 Advance | structural characterization for sample |
Riferimenti
- Sazali, N., Wan Salleh, W. N., Jamaludin, A. S., Mhd Razali, M. N. New perspectives on fuel cell technology: A brief review. Membranes. 10 (5), 99 (2020).
- Singla, M. K., Nijhawan, P., Oberoi, A. S. Hydrogen fuel and fuel cell technology for cleaner future: a review. Environmental Science and Pollution Research International. 28 (13), 15607-15626 (2021).
- Cao, D., Chen, D., Lan, J., Wang, G. An alkaline direct NaBH4-H2O2 fuel cell with high power density. Journal of Power Sources. 190 (2), 346-350 (2009).
- Lan, R., Tao, S. Ammonia as a suitable fuel for fuel cells. Frontiers in Energy Research. 2, 2014 (2014).
- Alias, M. S., Kamarudin, S. K., Zainoodin, A. M., Masdar, M. S. Active direct methanol fuel cell: An overview. International Journal of Hydrogen Energy. 45 (38), 19620-19641 (2020).
- Ferrigno, R., Stroock, A. D., Clark, T. D., Mayer, M., Whitesides, G. M. Membraneless vanadium redox fuel cell using laminar flow. Journal of the American Chemical Society. 124 (44), 12930-12931 (2002).
- Yan, X., Xu, A., Zeng, L., Gao, P., Zhao, T. A paper-based microfluidic fuel cell with hydrogen peroxide as fuel and oxidant. Energy Technology. 6 (1), 140-143 (2018).
- Ha, S. M., Ahn, Y. Laminar flow-based micro fuel cell utilizing grooved electrode surface. Journal of Power Sources. 267, 731-738 (2014).
- Liu, Z., et al. A woven thread-based microfluidic fuel cell with graphite rod electrodes. International Journal of Hydrogen Energy. 43 (49), 22467-22473 (2018).
- Peng, J., Zhang, Z. Y., Niu, H. T. A Three-dimensional two-phase model for a membraneless fuel cell using decomposition of hydrogen peroxide with y-shaped microchannel. Fuel Cells. 12 (6), 1009-1018 (2012).
- Wu, K. H., et al. Highly selective hydrogen peroxide electrosynthesis on carbon: in situ interface engineering with surfactants. Chem. 6 (6), 1443-1458 (2020).
- Yang, Y., et al. A facile microfluidic hydrogen peroxide fuel cell with high performance: electrode interface and power-generation properties. ACS Applied Energy Materials. 1 (10), 5328-5335 (2018).
- An, L., Zhao, T., Yan, X., Zhou, X., Tan, P. The dual role of hydrogen peroxide in fuel cells. Science Bulletin. 60 (1), 55-64 (2015).
- Yamazaki, S. I., et al. A fuel cell with selective electrocatalysts using hydrogen peroxide as both an electron acceptor and a fuel. Journal of Power Sources. 178 (1), 20-25 (2008).
- Sanli, A. E., Aytaç, A. Response to Disselkamp: Direct peroxide/peroxide fuel cell as a novel type fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy. 36 (1), 869-875 (2011).
- Gu, L., Nie, L., George H, M. i. l. e. y. Cathode electrocatalyst selection and deposition for a direct borohydride/hydrogen peroxide fuel cell. Journal of Power Sources. 173 (1), 77-85 (2007).
- Yang, F., Cheng, K., Wu, T., Zhang, Y., Yin, J., Wang, G., Cao, D. Preparation of Au nanodendrites supported on carbon fiber cloth and its catalytic performance to H2O2 electroreduction and electrooxidation. RSC Advances. 3 (16), 5483-5490 (2013).
- Vidal-Iglesias, F. J., Solla-Gullón, J., Herrero, E., Rodes, A., Aldaz, A. Do you really understand the electrochemical Nernst equation. Electrocatalysis. 4, 1-9 (2013).
- Jing, X., et al. The open circuit potential of hydrogen peroxide at noble and glassy carbon electrodes in acidic and basic electrolytes. Journal of Electroanalytical Chemistry. 658 (1-2), 46-51 (2011).
- Eaves, S., Eaves, J. A cost comparison of fuel-cell and battery electric vehicles. Journal of Power Sources. 130 (1-2), 208-212 (2004).
- Wee, J. H. Which type of fuel cell is more competitive for portable application: Direct methanol fuel cells or direct borohydride fuel cells. Journal of Power Sources. 161 (1), 1-10 (2006).
- Muthukumar, P., Groll, M. Erratum to "Metal hydride based heating and cooling systems: a review". International Journal of Hydrogen Energy. 35 (16), 8816-8829 (2010).
